張 亮，王興亮，梁 俊，武文斌

（空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，陜西 西安 710077）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，因而需要采用自動(dòng)化的測(cè)量技術(shù)。自動(dòng)化測(cè)量就是采用以計(jì)算機(jī)為代表的控制器來(lái)代替人按照預(yù)定程序控制對(duì)被測(cè)對(duì)象的激勵(lì)、采樣和測(cè)量，并進(jìn)行信息處理、分析和判斷[1]。對(duì)于測(cè)控儀器的規(guī)范也隨之出現(xiàn)。

測(cè)量?jī)x器的總線技術(shù)主要經(jīng)歷了GPIB（通用儀器總線）、VXI（VEMbus eXtensions for Instrumentation）總線和 PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）總線等多種形式。采用這些總線技術(shù)組建的測(cè)試系統(tǒng)被廣泛地使用。但是，不管采用哪種技術(shù)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)都存在很多不足。如GPIB（主要由HP公司提出的總線規(guī)范）儀器體積和重量大，數(shù)據(jù)傳輸速度慢，要GPIB卡和電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)程控，需要昂貴的電纜，且有時(shí)需要電纜多（由于被測(cè)端口與綜合測(cè)試系統(tǒng)的距離較遠(yuǎn)），總線最多支持14個(gè)終端，軟件標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，儀器非模塊化，維修性能較差；VXI（主要由HP公司提出的總線規(guī)范）系統(tǒng)雖然有較小的體積和重量，通道數(shù)也很多，但是VXI系統(tǒng)必須采用VXI機(jī)箱、零槽控制器以及1394－PCI接口卡才可實(shí)現(xiàn)程控，并且不能直接和普通計(jì)算機(jī)直接兼容；構(gòu)建系統(tǒng)的成本比較高；PXI（主要由NI公司提出的總線規(guī)范）儀器雖然比VXI儀器的體積小，重量輕，成本也低，提供卡式儀器較好的機(jī)械完整性和主流軟件，但PXI總線儀器的功能覆蓋面有限，儀器品種也遠(yuǎn)比VXI儀器少，通道數(shù)和電磁兼容性都比VXI差。

1 LXI總線結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)要求在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)建立一套獨(dú)立的測(cè)試系統(tǒng)，分別由終端計(jì)算機(jī)和VXI儀器、PXI儀器或GPIB儀器組成，然后每個(gè)終端機(jī)和服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，從而組成分布式測(cè)試系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由終端計(jì)算機(jī)控制，中心服務(wù)器不具備遠(yuǎn)程控制的能力；每個(gè)節(jié)點(diǎn)，不管監(jiān)測(cè)參數(shù)多少，哪怕只監(jiān)測(cè)一個(gè)參數(shù)，也得一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)儀器組成測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造成系統(tǒng)資源浪費(fèi)。圖1是基于傳統(tǒng)總線的測(cè)量系統(tǒng)。

傳統(tǒng)總線技術(shù)都無(wú)法很好地解決實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的編程、控制、測(cè)試測(cè)量、故障診斷等現(xiàn)實(shí)需求。

圖1 基于傳統(tǒng)總線的測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Measurement system based on traditional bus

1.2 LXI硬件平臺(tái)

LXI是基于以太網(wǎng)技術(shù)等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由中小型總線模塊共同組成的新型儀器平臺(tái)。它由安捷倫公司和VXI科技公司成立于2004年9月共同合作成立的聯(lián)盟提出[2]。全稱為L(zhǎng)AN－based Extensions for Instrumentation（局域網(wǎng)技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展）。

獨(dú)立LXI儀器分為全機(jī)架或半機(jī)架寬度，高度上有1U、2U、3U和4U幾種 （足以裝入前面板顯示和鍵區(qū)）。因而能容易地將各種功能的模塊混裝在機(jī)柜中。也可放在夾具中，掛在墻上，或附在某些設(shè)備的小型裝置上。所有信號(hào)連接輸入和輸出都在前面板上，電源、I/O、觸發(fā)總線及網(wǎng)線接口（RJ－45）連接在后面。與VXI和PXI受限于特定模塊尺寸不同，LXI的尺寸能完全符合應(yīng)用的需要。圖2為一種基于LXI的儀器樣式。

圖2 一種LXI的硬件平臺(tái)Fig.2 A kind of LXI’hardware platform

除了LXI儀器以外，帶網(wǎng)口的計(jì)算機(jī)、集線器、路由器都是系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備。所有這些才是構(gòu)建LXI測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。

LXI規(guī)范規(guī)定了3種基本儀器類型：A、B、C。這3種類型能在測(cè)試系統(tǒng)中混用。

C類儀器，允許把LAN接到儀器和模塊上，可以與其他廠家的LXI產(chǎn)品很好地協(xié)同工作，為簡(jiǎn)化編程，C類儀器提供 IVI驅(qū)動(dòng)程序API（應(yīng)用程序接口）。達(dá)到這一基準(zhǔn)的產(chǎn)品都要粘貼LXI標(biāo)識(shí)。

B類儀器：這類儀器可用于分布式測(cè)量系統(tǒng)。它們符合C類儀器的要求，并包括IEEE 1588同步。

A類儀器：這類裝置除滿足 C類和B類儀器要求外，還另外增加了兩項(xiàng)屬性：硬件觸發(fā)總線和合成儀器工作模型。圖3是3種儀器關(guān)系示意圖。

圖3 3種儀器關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship among three instruments

LXI設(shè)備并不是簡(jiǎn)單的帶有LAN接口的測(cè)試儀器，它們必須具有以下特點(diǎn)：

1）支持以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。包括（TCP/IP，DHCP，URL/IP addresses， Dynamic DNS， Auto－MDIX）。 這是通過(guò) LAN，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制與檢測(cè)對(duì)設(shè)備的基本要求。

2）支持軟件標(biāo)準(zhǔn)接口。 包括（IVI driver， VXI－11）。 這是為滿足LXI設(shè)備的C/S通信模式的要求。

3）支持設(shè)備網(wǎng)頁(yè)瀏覽（web－server），通過(guò) IE瀏覽器能夠訪問(wèn)設(shè)備同時(shí)得到設(shè)備的基本信息。這是為滿足LXI設(shè)備的B/S通信模式的要求。

4）物理上對(duì)系統(tǒng)功率，散熱，前面板指示燈，以及復(fù)位按鈕有詳細(xì)的定義。

5）對(duì)不同種類的設(shè)備對(duì)觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)有不同的定義。如C類的網(wǎng)絡(luò)消息觸發(fā) （幾 ms）；B類的 IEEE－1588時(shí)鐘同步觸發(fā)（＜100 ns）；A 類的觸發(fā)總線（5 ns/m）。

6）通過(guò)嵌入式 0 槽等裝置與傳統(tǒng)的總線（GPIB、VXI、PXI）設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備兼容與平穩(wěn)過(guò)渡[1]。

1.3 LXI軟件架構(gòu)

LXI總線引入了 B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）模型。該模型使用戶可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器（如IE）發(fā)布數(shù)據(jù)。通常，客戶端只需要安裝一個(gè)瀏覽器，輸入LXI模塊的IP地址，就可以直接訪問(wèn)相應(yīng)模塊的主頁(yè)面，并實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。此模式相當(dāng)于搭建在嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)上的Web服務(wù)程序。

LXI模塊不僅可以通過(guò)瀏覽器進(jìn)行訪問(wèn)，還可通過(guò)專用客戶端軟件訪問(wèn)。即支持C/S（Client/Server，客戶端/服務(wù)器）模型。在C/S模式中，LXI測(cè)試模塊使用IVI－COM驅(qū)動(dòng)程序?qū)x器進(jìn)行控制。IVI驅(qū)動(dòng)程序是基于VISA的，主控程序通過(guò)調(diào)用VISA－I/O庫(kù)函數(shù)，控制LXI模塊完成測(cè)量[3]。圖4為兩種軟件實(shí)現(xiàn)模式[1]。

2 LXI總線特點(diǎn)

2.1 提高了系統(tǒng)的吞吐率

GPIB總線的數(shù)據(jù)傳輸速率小于1 MB/s；PXI總線的數(shù)據(jù)傳輸速率在132～528 MB/s；VXI總線的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 MB/s，LXI總線的數(shù)據(jù)傳輸速率從10 MB/s發(fā)展到10 Gb/s（主干為光纜）（目前 40 Gb/s、100 Gb/s、160 Gb/s 的工作已經(jīng)開始）[4]，而且向后兼容，所以采用LXI總線技術(shù)將提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖4 兩種LXI軟件模式Fig.4 Two LXI’s software mode

除了網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快之外，LXI儀器還提供了兩種提升系統(tǒng)吞吐率的方法。第一種方法是軟件在 LXI模塊內(nèi)運(yùn)行，這就有可能在LXI模塊中執(zhí)行基本分析功能，只把結(jié)果（而非數(shù)據(jù)塊）送至主PC。這種類似于分布式結(jié)構(gòu)大大降低了網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，進(jìn)而提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。第二種方法是用LXI模塊間的對(duì)等通信，消除因PC處理所有消息而可能產(chǎn)生的瓶頸。

2.2 提高了系統(tǒng)的靈活性并降低了成本

由于LXI儀器的核心硬件技術(shù)與臺(tái)式儀器的核心硬件技術(shù)相同，所以在研發(fā)階段在臺(tái)式儀器上使用的測(cè)試方法和測(cè)試軟件同樣可以方便地移植到LXI系統(tǒng)中，從而降低了重新編寫測(cè)試軟件和驗(yàn)證系統(tǒng)性能的費(fèi)用。在組建測(cè)試系統(tǒng)方面，LXI模塊自帶了處理器、LAN連接、電源和觸發(fā)器輸入；并且不需要機(jī)箱和零槽控制器，不需要專用接口卡和昂貴的電纜。這一改變?yōu)闇y(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供了最佳的靈活性并且大大降低了成本，他們能按照需求添加新的LXI模塊而不用擔(dān)心機(jī)箱的電源功率是否足夠、散熱是否充分、或是否需要購(gòu)買一套更大的機(jī)箱、或是否需要更換一個(gè)全新測(cè)試系統(tǒng)體系。從傳輸距離來(lái)看，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（如交換機(jī)與交換機(jī)之間）的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離是100 m（10BASE-T不加中繼的距離）[4]，如果用光纖通訊可以達(dá)到幾千公里，所以，LXI系統(tǒng)可以不受節(jié)點(diǎn)和距離的限制。

2.3 降低了測(cè)試系統(tǒng)的建立時(shí)間

LXI儀器采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)相連接，并且可以自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)線的極性（Auto-MDIX）；每個(gè)LXI儀器的IP地址可以手動(dòng)設(shè)置，也可以在系統(tǒng)中自動(dòng)分配，所以這就使得用LXI測(cè)試設(shè)備組建測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間大大減小，而且難度也降低了。

2.4 靈活高效的系統(tǒng)觸發(fā)技術(shù)

高速信號(hào)的采集和分析系統(tǒng)中對(duì)要測(cè)試設(shè)備必須保持精確的同步，因此為了克服LAN總線帶來(lái)的同步問(wèn)題，LXI協(xié)議中對(duì)同步進(jìn)行了更詳細(xì)的定義，ClassC類型的設(shè)備采用指令的方式進(jìn)行觸發(fā)，觸發(fā)的精度為1 ms。對(duì)于更高觸發(fā)精度要求測(cè)試系統(tǒng)中必須使用ClassA和ClassB類型的設(shè)備。在ClassA和ClassB類型的設(shè)備中引入了IEEE1588協(xié)議（全稱為網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)），保證觸發(fā)精度達(dá)到微秒或者亞微秒級(jí)。測(cè)試系統(tǒng)采用IEEE1588時(shí)鐘同步時(shí)，觸發(fā)信號(hào)是告訴每個(gè)器件何時(shí)輸出它的信號(hào)，每個(gè)器件是根據(jù)告訴的時(shí)間而不是根據(jù)何時(shí)收到的以太網(wǎng)命令啟動(dòng)，所有沒有以太網(wǎng)開銷和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延影響，特別適用于那些需要實(shí)現(xiàn)最高精度分布時(shí)鐘的時(shí)間同步的有限網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域[5]。而對(duì)于納秒級(jí)別的觸發(fā)精度要求，則必須利用ClassA類型設(shè)備中專用的觸發(fā)總線來(lái)保證觸發(fā)的精度。

2.5 主要的總線技術(shù)比較

采用LXI總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊化，擺脫了主控制器（0槽）和背板限制。這樣在實(shí)際測(cè)量中，可以自由地移動(dòng)測(cè)量模塊，減少了測(cè)量電纜開銷。同時(shí)，用戶可以根據(jù)需求，有針對(duì)性的選擇模塊，且驅(qū)動(dòng)軟件標(biāo)準(zhǔn)化使得通用性大大提高。LXI為構(gòu)建分布式測(cè)試系統(tǒng)提供了更加有效的手段，成為測(cè)試儀器發(fā)展新方向。表1是幾種主要總線的比較[1]。

表1 幾種總線技術(shù)的比較Tab.1 Comparison between several bus technologies

3 LXI總線技術(shù)在分布式測(cè)試與故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用

本系統(tǒng)采用了以LXI總線的體系結(jié)構(gòu)，如圖5所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，由遠(yuǎn)程診斷中心、LAN、LXI終端用戶組成。其中用戶由LXI合成儀器，及相關(guān)的配套設(shè)備（交換機(jī)、測(cè)量對(duì)象）組成。LXI合成儀器由符合LXI標(biāo)準(zhǔn)的模塊化儀器組成，儀器的選擇依賴用戶的實(shí)際需求。本系統(tǒng)中假定由下變頻模塊和數(shù)字化儀模塊組成。下變頻模塊測(cè)量相關(guān)設(shè)備，并將接收的信號(hào)變頻之中頻，傳輸給數(shù)字化儀模塊，進(jìn)行中頻處理，最終通過(guò)網(wǎng)線連接至交換機(jī)。在接入網(wǎng)部分可采用有線和無(wú)線兩種手段。尤其是無(wú)線方式，有利用測(cè)量模塊的移動(dòng)，進(jìn)而節(jié)省了電纜連接帶來(lái)的額外開銷。各個(gè)LXI儀器直接通過(guò)交換機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)上，由于每個(gè)LXI設(shè)備有自己的處理器，所以監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處不需要終端計(jì)算機(jī)。本系統(tǒng)采用B/S模式遠(yuǎn)程診斷中心來(lái)控制各個(gè)模塊，即通過(guò)遠(yuǎn)程診斷終端通過(guò)IE瀏覽器通過(guò)輸入相應(yīng)LXI模塊的IP地址，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控相應(yīng)模塊的相關(guān)參數(shù)，并可以直接進(jìn)行遠(yuǎn)端控制。

對(duì)于某些地面測(cè)試項(xiàng)目，有相對(duì)成熟的VXI或GPIB總線系統(tǒng)，為了節(jié)約成本，將這些系統(tǒng)也接入到LXI總線系統(tǒng)中。由于很多儀器供航天測(cè)控供應(yīng)商提供了GPIB與LAN的轉(zhuǎn)換器，以及支持網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧悴劭刂破?，這就使已有的GPIB、VXI和PXI測(cè)試系統(tǒng)可以很容易地接入到整個(gè)LXI網(wǎng)絡(luò)中來(lái)。從圖5可以看出，采用LXI總線技術(shù)即簡(jiǎn)化了系統(tǒng)配置，節(jié)約了系統(tǒng)資源，又增加了系統(tǒng)的靈活性。

圖5 LXI在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用Fig.5 Application of LXI in distributed system

從以上系統(tǒng)中可以總結(jié)基于LXI技術(shù)的儀器使用有以下特點(diǎn)：

1）設(shè)備模塊化，方便用戶根據(jù)需求選購(gòu)相關(guān)產(chǎn)品，從而降低了使用成本。

2）設(shè)備智能化，LXI設(shè)備內(nèi)嵌處理器，有較強(qiáng)的分析，處理數(shù)據(jù)功能，將處理結(jié)果傳送至遠(yuǎn)端診斷中心，這樣大大降低了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

3）設(shè)備資源共享化，采用B/S模式可以直接通過(guò)鍵入儀器網(wǎng)址方式查看模塊參數(shù)，采用IEEE-1588始終同步方式，將觸發(fā)同步控制在ns級(jí)。

4）測(cè)試網(wǎng)絡(luò)兼容性好，基于LXI技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，最大限度地實(shí)現(xiàn)資源共用，充分兼容傳統(tǒng)總線設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展正沿著GPIB、VXI、PXI和 LXI的方向不斷進(jìn)步。LXI模塊化平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)將PXI和VXI的體積小、LAN的高吞吐率以及GPIB的高性能集成在一起，同時(shí)又采用IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議及觸發(fā)總線等技術(shù)很好地解決了同步觸發(fā)的問(wèn)題，繼承了VXI、PXI儀器背板觸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，從而可以很好地滿足測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建的要求，尤其在遠(yuǎn)程分布式測(cè)試與故障診斷應(yīng)用中將發(fā)揮非常顯著的作用。未來(lái)的測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，以太網(wǎng)將扮演重要的角色。臺(tái)式儀器、VXI、PXI、LXI將共存于系統(tǒng)。

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